CN106802287A - 水质监测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质监测装置及检测方法，所述水质监测装置，包括壳体、前盖板和后盖板；在壳体长度方向的两个端面之间设有6个中空腔体。所述水质监测装置的检测方法，包括单片机检测等7个步骤。本发明将TDLAS技术成功应用到水下，实现低成本、多监控点、连续线性的持续监测，无需人员值守，特别适合水文、水质监测的长期性、连续性、突变性的特点，将有可能对现有的水质环境检测、监测起到积极的作用。
Description
技术领域
本发明属于环保监测技术领域，尤其涉及基于TDLAS技术的连续激光检测技术，具体为水质监测装置及检测方法。
背景技术
现有的水质监测，一般都是将水样品用容器打捞上来后带到实验室进行检测，存在时效性差、数据可靠性差的问题：
首先，在实践中，处于不同水层的杂质密度与种类是不相同的，将取样点处的水打捞上来的过程成，存在样品被污染、稀释的风险；
其次，打捞上来的水样品在氧气、日照等因素的影响下，会发生挥发、变质、弥散等问题；
再次，从样本点取样，也存在样本容量偏小，测量、统计容易出现误差的问题，缺少累积形成的归纳分析，即存在以点概面的缺憾；
最后，现有的水质监测是离散的、间断的检测方法。虽然有将设备装载的车辆或船只上，但这样做成本高、耗费的人力物力资源多，不适合连续的检测。
TDLAS技术，是采用激光对待检测介质的无损、实时采样与检测技术。已从早期由军工领域的引入、应用，逐步推广大气环境、井下安全、危险场所监控等技术领域。目前现有在水下采用TDLAS技术的报道与应用。如果能够改进现有水下检测设备进行适当的改进，把TDLAS技术与之结合，将有可能对现有的水质环境检测、监测起到积极的作用。
发明内容
针对现有水质监测的不足，本发明提供一种水质监测装置及检测方法，具体如下：
一种水质监测装置，包括壳体、前盖板和后盖板；
壳体为圆柱体；在壳体长度方向一端的外表面设有牵引支架；在壳体长度方向另一端的外表面设有平衡尾翼；
在壳体长度方向的两个端面之间设有6个中空腔体；6个中空腔体相互平行，且均贯穿壳体；6个中空腔体分别称为：设备舱、左侧样品舱、右侧样品舱、左侧检测舱、右侧检测舱和底部检测舱；
其中，
在设有牵引支架一侧的壳体端部配有前盖板；在前盖板上设有5个前盖板通孔，分别与左侧样品舱、右侧样品舱、左侧检测舱、右侧检测舱和底部检测舱的前侧开口相对应；在前盖板通孔外侧的前盖板上配有前盖板磁控阀；
在设有平衡尾翼一侧的壳体端部配有后盖板；在后盖板上设有3个后盖板通孔，分别与左侧检测舱、右侧检测舱和底部检测舱的后侧开口相对应；在后盖板通孔外侧的后盖板上配有后盖板磁控阀；
在左侧样品舱和右侧样品舱内分别配有一根丝杠；在丝杠上配有螺母和防水电机；通过防水电机带动螺母沿着丝杠长度方向前后移动；螺母的外径与左侧样品舱、右侧样品舱的内径相匹配；
在左侧检测舱和右侧检测舱内分别配有一根激光检测支架；激光检测支架为圆管；在激光检测支架的两端分别设有激光发射模块和激光接收模块；
设备舱内设有单片机和电源，单片机与电源相连并取电；设备舱与左侧样品舱、右侧样品舱、左侧检测舱、右侧检测舱之间均设有壳体通孔，在每个壳体通孔上配有隔水转接头；左侧检测舱内的激光发射模块和激光接收模块、右侧检测舱内的激光发射模块和激光接收模块、左侧样品舱内的防水电机、右侧样品舱内的防水电机(分别通过导线经隔水转接头与设备舱内的单片机、电源相连接。
水质监测装置的检测方法，按如下步骤进行：
步骤1：由单片机检测并控制前盖板磁控阀、后盖板磁控阀处于开启的状态，激光发射模块不工作、防水电机带动螺母移动至靠近前盖板一侧的丝杠端部；
步骤2：人工向单片机录入检测工作参数；
步骤3：将绳索与牵引支架相连，将水质监测装置投入待检测水域；将绳索投入水中，直至水质监测装置到达拟检测的水位；
步骤4：由单片机驱动激光发射模块按人工设定的参数产生并发射激光束；由单片机驱动激光发射模块按人工设定的参数产生并发射激光束；激光束穿过激光检测支架内的液体后，被对应的激光接收模块接受并反馈至单片机，由单片机进行、采样、放大、过滤及成分分析与储存；
步骤5：由单片机按人工设定的参数驱动防水电机旋转，带动螺母移动至靠近后盖板一侧的丝杠端部，将检测区域的液体样本抽入左侧样品舱和/或右侧样品舱；随后，由单片机控制与左侧样品舱和/或右侧样品舱对应的前盖板磁控阀关闭，获取液体样品；
步骤6：由单片机通过导线和隔水转接头向水面上的工控机通信，传递数据，并根据人工指令进行检测；
步骤7：结束检测后，由单片机控制激光发射模块停止工作；通过绳索和卷扬机将水质监测装置吊起。
有益的技术效果
1)本发明具有左侧样品舱和右侧样品舱，能够把由左侧检测舱或/和右侧检测舱检测到的成分异常的水样品，进行抽取和密封保存，不但避免水样品在打捞的过程中被污染、稀释，还能精确地获取需要进一步检测的水样品；
2)本发明直接在水下进行检测，仅把数据结果通过导线传输上来，避免样品在氧气、日照等因素的影响下而发生的变质等问题；
3)本发明是沉在待检测水域实时、连续地取样检测，能够积累长时期间隔内的数据，样本容量大，测量、统计出来的结果误差较小，是累积形成的归纳分析，数据资料的代表性强、可靠性高；
4)本发明是连续的检测。且采用的激光发射模块、激光接收模块、单片机和电源均为市场上现有的、成熟的、微小型化的可靠产品，成本低、易维护、耗费的人力物力资源少，适合连续多点的检测。
5)本发明具有左侧检测舱和右侧检测舱，可同时进行检测，相互验证检测结果的可靠性，也可分别使用，增强设备的耐用性。
6)本发明的左侧检测舱和右侧检测舱配有不同波长、功率的激光发射模块，能够进行多种介质成分的检测。
7)本发明的左侧检测舱和右侧检测舱配有盖板磁控阀、后盖板磁控阀，既能够动态地进行实施检测，也可以锁定介质，进行不同激光条件下的检测。
8)本发明的左侧检测舱和右侧检测舱配有潜水泵，能够配合盖板磁控阀、后盖板磁控阀对流过的液体进行不同流速的检测，检测的方式丰富。此外，还能够实现“冲洗”，通过产生单一方向的水流，确保左侧检测舱和右侧检测舱不会被杂质堵塞或沉积所造成的误判断。
9)本发明采用丝杠、螺母和防水电机，形成类似针筒的负压采样机构，结构简单，保存样品方便。
10)本发明将TDLAS技术成功应用到水下，实现低成本、多监控点、连续线性的持续监测，无需人员值守，特别适合水文、水质监测的长期性、连续性、突变性的特点，将有可能对现有的水质环境检测、监测起到积极的作用。
附图说明
图1是本发明的立体示意图；
图2是图1的主视图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是图1的后视图；
图5是图1移去后盖板3后的后视图；
图6是图5的B-B剖视图；
图7是激光检测支架17的结构简视图；
图8是图1中壳体1的另一角度立体示意图；
图9是是激光检测支架17的立体示意图。
具体实施方式
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1，水质监测装置，包括壳体1、前盖板2和后盖板3。
参见图1、5、6和8，壳体1为圆柱体。在壳体1长度方向一端的外表面设有牵引支架4。在壳体1长度方向另一端的外表面设有平衡尾翼5。
在壳体1长度方向的两个端面之间设有6个中空腔体。6个中空腔体相互平行，且均贯穿壳体1。6个中空腔体分别称为：设备舱6、左侧样品舱7、右侧样品舱8、左侧检测舱9、右侧检测舱10和底部检测舱11。其中，
参见图1、2和3，在设有牵引支架4一侧的壳体1端部配有前盖板2。在前盖板2上设有5个前盖板通孔，分别与左侧样品舱7、右侧样品舱8、左侧检测舱9、右侧检测舱10和底部检测舱11的前侧开口相对应。在前盖板通孔外侧的前盖板2上配有前盖板磁控阀12。
参见图1、3和4，在设有平衡尾翼5一侧的壳体1端部配有后盖板3。在后盖板3上设有3个后盖板通孔，分别与左侧检测舱9、右侧检测舱10和底部检测舱11的后侧开口相对应。在后盖板通孔外侧的后盖板3上配有后盖板磁控阀13。
参见图3，在左侧样品舱7和右侧样品舱8内分别配有一根丝杠14。在丝杠14上配有螺母15和防水电机16。通过防水电机16带动螺母15沿着丝杠14长度方向前后移动。螺母15的外径与左侧样品舱7、右侧样品舱8的内径相匹配。
参见图2、4、7和9，在左侧检测舱9和右侧检测舱10内分别配有一根激光检测支架17。激光检测支架17为圆管。在激光检测支架17的两端分别设有激光发射模块18和激光接收模块19。
设备舱6内设有单片机和电源，单片机与电源相连并取电。设备舱6与左侧样品舱7、右侧样品舱8、左侧检测舱9、右侧检测舱10之间均设有壳体通孔，在每个壳体通孔上配有隔水转接头。左侧检测舱9内的激光发射模块18和激光接收模块19、右侧检测舱10内的激光发射模块18和激光接收模块19、左侧样品舱7内的防水电机16、右侧样品舱8内的防水电机16分别通过导线经隔水转接头与设备舱6内的单片机、电源相连接。
参见图5，进一步说，左侧检测舱9、右侧检测舱10和底部检测舱11呈倒三角布置。设备舱6位于左侧检测舱9和右侧检测舱10之间。左侧样品舱7位于左侧检测舱9和底部检测舱11之间。右侧样品舱8位于右侧检测舱10和底部检测舱11之间。
参见图5，进一步说，设备舱6、左侧样品舱7和右侧样品舱8呈正三角布置。
进一步说，在靠近设备舱6的壳体1处开有数据交互窗口。在数据交互窗口处配有隔水转接头。通过一根导线将水面上的设备与壳体1处的隔水转接头相连接，再通过另一根导线将壳体1处的隔水转接头与单片机相连接。
所述导线包括电源线、电信号通讯线和光信号通讯线。
进一步说，在左侧检测舱9内的激光发射模块18为波长在1000至1400nm，功率不小于20kW的红外激光发射器。
在右侧检测舱10内的激光发射模块18所发射的激光为波长在800至1400nm，功率在2.0至5.0kW的红外激光发射器。不同的功率与波长能够对统一介质进行不同角度的检测，提高精确性。优选的方案是，平时采用低功率的、广能谱的进行检测，提高效率、降低功耗。需要复查或重点抽测时，采用高功率、窄能谱的进行精确测量。
进一步说，前盖板磁控阀12、后盖板磁控阀13均分别通过导线和隔水转接头与单片机相连。
前盖板磁控阀12、后盖板磁控阀13常开。
螺母15处于靠近前盖板2一侧的丝杠14端部。
进一步说，靠近左侧检测舱9的后盖板磁控阀13配有潜水泵。该靠近左侧检测舱9的潜水泵通过导线和隔水转接头与单片机相连。前盖板磁控阀12、后盖板磁控阀13和潜水泵控制进入左侧检测舱9内的待检测液体的流量与流速。
更进一步说，靠近右侧检测舱10的后盖板磁控阀13配有潜水泵。该靠近右侧检测舱10的潜水泵通过导线和隔水转接头与单片机相连。前盖板磁控阀12、后盖板磁控阀13和潜水泵控制进入右侧检测舱10内的待检测液体的流量与流速。
更进一步说，靠近右侧检测舱10的潜水泵的功率是靠近左侧检测舱9的潜水泵的功率0.1至0.8倍，即通过不同的激光波长、激光强度与待测液体流速，实现不同参数条件下的实时、动态测量与监测。
更进一步说，在底部检测舱11内安装有流量计。通过导线和隔水转接头，将流量计与单片机相连接。由于底部检测舱11与左侧检测舱9、右侧检测舱10规格相同，由流量计检测到的底部检测舱11内液体的流量状态，能够模拟出相对准确的左侧检测舱9、右侧检测舱10中的实际状态。而由于左侧检测舱9、右侧检测舱10中需要进行激光扫射，故不能在其中安装流量计。
所述水质监测装置的检测方法，按如下步骤进行：
步骤1：由单片机检测并控制前盖板磁控阀12、后盖板磁控阀13处于开启的状态，激光发射模块18不工作、防水电机16带动螺母15移动至靠近前盖板2一侧的丝杠14端部。
步骤2：人工向单片机录入检测工作参数。
步骤3：将绳索与牵引支架4相连，将水质监测装置投入待检测水域。将绳索投入水中，直至水质监测装置到达拟检测的水位。
步骤4：由单片机驱动激光发射模块18按人工设定的参数产生并发射激光束。由单片机驱动激光发射模块18按人工设定的参数产生并发射激光束。激光束穿过激光检测支架17内的液体后，被对应的激光接收模块19接受并反馈至单片机，由单片机进行、采样、放大、过滤及成分分析与储存。
步骤5：由单片机按人工设定的参数驱动防水电机16旋转，带动螺母15移动至靠近后盖板3一侧的丝杠14端部，将检测区域的液体样本抽入左侧样品舱7和/或右侧样品舱8。随后，由单片机控制与左侧样品舱7和/或右侧样品舱8对应的前盖板磁控阀12关闭，获取液体样品。
步骤6：由单片机通过导线和隔水转接头向水面上的工控机通信，传递数据，并根据人工指令进行检测。
步骤7：结束检测后，由单片机控制激光发射模块18停止工作。通过绳索和卷扬机将水质监测装置吊起。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水质监测装置，其特征在于，包括壳体(1)、前盖板(2)和后盖板(3)；
壳体(1)为圆柱体；在壳体(1)长度方向一端的外表面设有牵引支架(4)；在壳体(1)长度方向另一端的外表面设有平衡尾翼(5)；
在壳体(1)长度方向的两个端面之间设有6个中空腔体；6个中空腔体相互平行，且均贯穿壳体(1)；6个中空腔体分别称为：设备舱(6)、左侧样品舱(7)、右侧样品舱(8)、左侧检测舱(9)、右侧检测舱(10)和底部检测舱(11)；
其中，
在设有牵引支架(4)一侧的壳体(1)端部配有前盖板(2)；在前盖板(2)上设有5个前盖板通孔，分别与左侧样品舱(7)、右侧样品舱(8)、左侧检测舱(9)、右侧检测舱(10)和底部检测舱(11)的前侧开口相对应；在前盖板通孔外侧的前盖板(2)上配有前盖板磁控阀(12)；
在设有平衡尾翼(5)一侧的壳体(1)端部配有后盖板(3)；在后盖板(3)上设有3个后盖板通孔，分别与左侧检测舱(9)、右侧检测舱(10)和底部检测舱(11)的后侧开口相对应；在后盖板通孔外侧的后盖板(3)上配有后盖板磁控阀(13)；
在左侧样品舱(7)和右侧样品舱(8)内分别配有一根丝杠(14)；在丝杠(14)上配有螺母(15)和防水电机(16)；通过防水电机(16)带动螺母(15)沿着丝杠(14)长度方向前后移动；螺母(15)的外径与左侧样品舱(7)、右侧样品舱(8)的内径相匹配；
在左侧检测舱(9)和右侧检测舱(10)内分别配有一根激光检测支架(17)；激光检测支架(17)为圆管；在激光检测支架(17)的两端分别设有激光发射模块(18)和激光接收模块(19)；
设备舱(6)内设有单片机和电源，单片机与电源相连并取电；设备舱(6)与左侧样品舱(7)、右侧样品舱(8)、左侧检测舱(9)、右侧检测舱(10)之间均设有壳体通孔，在每个壳体通孔上配有隔水转接头；左侧检测舱(9)内的激光发射模块(18)和激光接收模块(19)、右侧检测舱(10)内的激光发射模块(18)和激光接收模块(19)、左侧样品舱(7)内的防水电机(16)、右侧样品舱(8)内的防水电机(16)分别通过导线经隔水转接头与设备舱(6)内的单片机、电源相连接。
2.根据权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，左侧检测舱(9)、右侧检测舱(10)和底部检测舱(11)呈倒三角布置；设备舱(6)位于左侧检测舱(9)和右侧检测舱(10)之间；左侧样品舱(7)位于左侧检测舱(9)和底部检测舱(11)之间；右侧样品舱(8)位于右侧检测舱(10)和底部检测舱(11)之间。
3.根据权利要求2所述的水质监测装置，其特征在于，设备舱(6)、左侧样品舱(7)和右侧样品舱(8)呈正三角布置。
4.根据权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，在靠近设备舱(6)的壳体(1)处开有数据交互窗口；在数据交互窗口处配有隔水转接头；通过一根导线将水面上的设备与壳体(1)处的隔水转接头相连接，再通过另一根导线将壳体(1)处的隔水转接头与单片机相连接；所述导线包括电源线、电信号通讯线和光信号通讯线。
5.根据权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，在左侧检测舱(9)内的激光发射模块(18)为波长在1000至1400nm，功率不小于20kW的红外激光发射器；
在右侧检测舱(10)内的激光发射模块(18)所发射的激光为波长在800至1400nm，功率在2.0至5.0kW的红外激光发射器。
6.根据权利要求1所述的水质监测装置，其特征在于，前盖板磁控阀(12)、后盖板磁控阀(13)均分别通过导线和隔水转接头与单片机相连；
前盖板磁控阀(12)、后盖板磁控阀(13)常开；
螺母(15)处于靠近前盖板(2)一侧的丝杠(14)端部。
7.根据权利要求5所述的水质监测装置，其特征在于，靠近左侧检测舱(9)的后盖板磁控阀(13)配有潜水泵；该靠近左侧检测舱(9)的潜水泵通过导线和隔水转接头与单片机相连；前盖板磁控阀(12)、后盖板磁控阀(13)和潜水泵控制进入左侧检测舱(9)内的待检测液体的流量与流速。
8.根据权利要求7所述的水质监测装置，其特征在于，靠近右侧检测舱(10)的后盖板磁控阀(13)配有潜水泵；该靠近右侧检测舱(10)的潜水泵通过导线和隔水转接头与单片机相连；前盖板磁控阀(12)、后盖板磁控阀(13)和潜水泵控制进入右侧检测舱(10)内的待检测液体的流量与流速。
9.根据权利要求8所述的水质监测装置，其特征在于，靠近右侧检测舱(10)的潜水泵的功率是靠近左侧检测舱(9)的潜水泵的功率0.1至0.8倍，即通过不同的激光波长、激光强度与待测液体流速，实现不同参数条件下的实时、动态测量与监测。
10.权利要求1所述水质监测装置的检测方法，其特征在于：按如下步骤进行：
步骤1：由单片机检测并控制前盖板磁控阀(12)、后盖板磁控阀(13)处于开启的状态，激光发射模块(18)不工作、防水电机(16)带动螺母(15)移动至靠近前盖板(2)一侧的丝杠(14)端部；
步骤2：人工向单片机录入检测工作参数；
步骤3：将绳索与牵引支架(4)相连，将水质监测装置投入待检测水域；将绳索投入水中，直至水质监测装置到达拟检测的水位；
步骤4：由单片机驱动激光发射模块(18)按人工设定的参数产生并发射激光束；由单片机驱动激光发射模块(18)按人工设定的参数产生并发射激光束；激光束穿过激光检测支架(17)内的液体后，被对应的激光接收模块(19)接受并反馈至单片机，由单片机进行、采样、放大、过滤及成分分析与储存；
步骤5：由单片机按人工设定的参数驱动防水电机(16)旋转，带动螺母(15)移动至靠近后盖板(3)一侧的丝杠(14)端部，将检测区域的液体样本抽入左侧样品舱(7)和/或右侧样品舱(8)；随后，由单片机控制与左侧样品舱(7)和/或右侧样品舱(8)对应的前盖板磁控阀(12)关闭，获取液体样品；
步骤6：由单片机通过导线和隔水转接头向水面上的工控机通信，传递数据，并根据人工指令进行检测；
步骤7：结束检测后，由单片机控制激光发射模块(18)停止工作；将水质监测装置吊起。
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